Лабораторна робота № 5.8 Вивчення закону Малюса

Мета роботи: експериментально дослідити явище поляризації та перевірити закон Малюса.

Прилади і матеріали: поляроїди, джерело світла, фотоелемент, гальванометр, деполяризатор.

Теоретичні відомості.

Будь-яке джерело світла є сукупністю дуже великого числа окремих незалежних випромінювачів світла (атомів, молекул або тих і інших одночасно). Згідно з електромагнетною теорією Максвелла світло є поперечною електромагнетною хвилею.

Результати експериментів щодо вивчення розповсюдження світла в різних середовищах дозволили встановити існування двох станів світла: природного та поляризованого.

Поляризованим є світло з переважним напрямком коливань: для одного з поперечних напрямків або для деякого напрямку повороту вектора напруженості електричного поля. Умовно розглядають тільки електричні коливання внаслідок більш важливої ролі електричного поля в більшості процесів, що відбуваються при взаємодії світла з речовиною.

Поляризоване світло наочно зображують за допомогою проекційної картини — проекції вектора Е на площину, перпендикулярну до променя (рис.1). Якщо коливання вектора Е відбуваються в деякій площині, то світло називається плоскополяризованим або лінійно-поляризованим (рис. 1 а).

Лінійно-поляризоване світло має нескінченну множину форм з різними азимутами б. Якщо величина вектора Е постійна в часі і його напрям змінюється так, що описує коло, то світло називається циркулярно-поляризованим (рис. 1б). Цей тип поляризації має дві форми, що відрізняються напрямом обертання вектора Е.

Якщо величина вектора Е змінюється за часом і кінець цього вектора описує еліпс, то світло називається еліптично-поляризованим (рис.1в). Воно має нескінченну множину форм, що відрізняються азимутом а, ексцентриситетом і напрямом обертання.

Поляризоване світло за своєю природою є елементарним: монохроматичний промінь поляризованого світла вже неможливо розкласти на більш прості складові.

Монохроматичне світло є поляризованим. Однак будь-який реальний промінь світла завжди має помітний діапазон частот. Тому в ньому одночасно можуть мати місце різні форми поляризації. Поки що не знайдений задовільний спосіб наочного опису природного світла. Умовно прийнято зображати природне світло у вигляді зірочки з великим числом векторів, але це зображення не відбиває найбільш важливих властивостей природного світла (рис. 2). Площина, в якій відбуваються коливання вектора, називається площиною коливань. Площина, перпендикулярна до площини коливань, називається площиною поляризації.

Фізіологічна дія поляризованого світла на сітківку ока нічим не відрізняється від дії природного світла. Тому для вивчення його властивостей необхідні пристрої для його одержання і дослідження.

Пристрій, що дає можливість одержувати поляризовані промені, називається поляризатором, а пристрій, що дозволяє виявити наявність поляризованого світла — аналізатором. Слід відмітити, що обидва ці пристрої взаємо заміняються.

Особливістю поляризатора і аналізатора є те, що вони можуть пропускати світлові хвилі, електричний вектор напруженості яких коливається лише в строго визначеному напрямі. Такий напрям називається головним.

Розглянемо установку (рис.3), що складається з джерела світла S, поляризатора П, аналізатора А, фотоелемента Ф, гальванометра G. Після проходження через поляризатор П світло стає плоскополяризованим. Аналізатор може пропускати тільки ті коливання, які збігаються з його головним напрямком АА. Якщо головні напрямки поляризатора ПП і аналізатора АА збігаються, то інтенсивність світла, що проходить через аналізатор А, буде максимальною.

Коли головні напрямки поляризатора і аналізатора утворюють між собою деякий кут ц, інтенсивність світла, що проходить, буде мати проміжне значення. Встановимо зв’язок між інтенсивністю променя, що проходить, і кутом ц.

На рис. 4 вказані позначення: ПП головний напрям поляризатора, АА — головний напрям аналізатора, Е n — амплітуда електричного вектора напруженості, що пропускається поляризатором.

Розкладемо амплітуду Е n на дві складові Еa і Е, одна з яких збігається з головним напрямом АА аналізатора, а друга перпендикулярна до нього. Коливання, перпендикулярні до напряму АА, не проходять через аналізатор. Отже, інтенсивність світла, що проходить, визначається складовою амплітуди ЕA.

.

Враховуючи, що інтенсивність коливань пропорційна квадрату амплітуди, маємо:

I = I0cos2 ц.

Це співвідношення виражає закон Малюса.

Порядок виконання роботи Завдання. Дослідити залежність i=f (ц).

• 1. Повертаючи аналізатор, домогтися максимального відхилення стрілки гальванометра. Записати поділки на лімбі аналізатора ц і показання гальванометра i.
• 2. Повернути аналізатор на 10° і записати покази гальванометра. Вимірювання провести через кожні 10° до 360°.
• 3. Дані вимірювань занести в таблицю.

Обробка результатів експериментів та їх аналіз.

На міліметровому папері побудувати графік залежності відносної інтенсивності сили фотоструму від квадрата косинуса кута повороту:

.

Побудувати також залежність:

Контрольні запитання для допуску до виконання лабораторної роботи.

• 1. Мета роботи
• 2. Що ви знаєте про природу світла?
• 3. Яке світло називають поляризованим?
• 4. Назвіть причину того, що напрям поляризації світла визначається напрямом коливання вектора в електромагнетній хвилі.
• 5. Яке світло є лінійнополяризованим? В яких випадках світло буде мати еліптичну або колову поляризацію?
• 6. Чому поляризоване світло за своєю природою є елементарним?
• 7. Як практично на графіку зображають природне світло?
• 8. Яка площина називається площиною поляризації?
• 9. Чи є різниця в дії природного та поляризованого світла на сітківку ока?
• 10. Як можна отримати поляризоване світло?
• 11. Як практично виявити наявність поляризованого світла?
• 12. Які властивості твердих прозорих тіл спричиняють поляризацію світла?
• 13. Що таке площина головного перерізу кристала?
• 14. Сформулюйте та поясніть закон Брюстера.
• 15. Сформулюйте та поясніть закон Малюса.
• 16. Яку властивість анізотропних кристалів називають оптичним дихроїзмом?

Контрольні запитання для захисту лабораторної роботи.

• 1. Що таке поляроїдна плівка? Який промінь звичайний чи незвичайний проходить крізь поляроїдну плівку?
• 2. Яке співвідношення має поляризований промінь порівняно із падаючим природним променем?
• 3. Як залежить інтенсивність поляризованого променя після аналізатора від інтенсивності поляризованого світла після аналізатора?
• 4. У чому суть явища подвійного променезаломлення? Чи присутнє явище подвійного променезаломлення в поляроїдній плівці?
• 5. Що можна сказати про швидкості звичайного та незвичайного променя в анізотропній речовині?
• 6. Для яких цілей кристал ісландського шпату спочатку розрізають в напрямку оптичної осі кристалу, а потім склеюють?
• 7. Назвіть приклади використання поляризованого світла.
• 8. Поясніть одержані в лабораторній роботі графічні залежності інтенсивності від кута, .